大型火力发电厂主烟道设计探讨

黄友强 王林宝

提要：本文给出大型火力发电厂主烟道设计的思路和方法，并指出单纯按《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T 5121—2000）设计存在安全隐患，供有关工程技术人员参考。

关键词：主烟道，自振频率，变形，钢材强度设计值

1. 工程概况

近年来，1000MW机组已逐渐代替600MW机组，成为国内火力发电厂建设的主力机型。火力发电厂随着机组容量的加大，烟气流量加大，例如：某300MW机组工程，主烟道截面尺寸4.5mx9m；某600MW机组工程，主烟道截面尺寸6.0mx11m；华电国际山东某1000MW机组工程，主烟道截面尺寸7.5mx12.0m。

2. 主要设计思路

在以往的火力发电厂工程设计中，主烟道一般由工艺专业负责，根据《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T 5121—2000）（以下简称《煤粉管道规程》）进行设计。在工艺规程中，考虑了烟气压力、积灰、风载、雪载等对烟道顶底面、侧面的局部影响，没有考虑风载等水平荷载对烟道整体的影响。现行的《煤粉管道规程》为2001年1月1日实施，至今已有十几年时间，火力发电厂的规模、容量、机组参数等均有了很大的发展，随着烟道截面的加大，按现行工艺规程进行烟道设计是否安全可靠，应进行验证。针对上述情况，本工程钢烟道的设计，确定以下设计思路：

(1)初步确定烟道结构布置两个方案。

(2)按《煤粉管道规程》进行道体面板和加固肋设计，确定道体面板厚度和加固肋的规格、间距。

(3)按土建结构规范规程，对设计结果进行结构强度、自振频率等复核。

3. 主烟道按《煤粉管道规程》设计

根据《煤粉管道规程》，本工程对道体面板和横向加固肋应分别按强度（应力）、刚度（挠度）、振动（频率）条件进行设计，控制加固肋和道体面板自振频率分别≥40Hz（振动设计）和≥40Hz（常规设计）。本工程主烟道远离风机口，第一自振频率应≥20Hz（常规设计）。

(1) 主烟道截面尺寸7.5m（宽）x12.8m（高），加固肋按刚接设置，结构布置方案如下：

方案一：在烟道内部设置两道水平内撑杆，将高度三等分，再在上部分、下部分设置斜撑杆，呈三角形布置。

方案二：在烟道内部设置两道水平内撑杆，将高度三等分，再设置一道竖向内撑杆，将宽度两等分，无斜撑杆。

(2)道体面板设计荷载统计

道体及

受力面

分项荷载

组合设计荷载 当量荷载

内压q0 自重q1 保温q2 积灰q3 雪载q4 风载q5 ∑q ∑qdl

正压道体

顶面 +q0 - q1 - q2 0 - q4 + q5 q0- q1- q2- q4+ q5 - q1- q2- q4+ q5

侧面 +q0 0 0 0 0 + q5 q0 + q5 + q5

底面 +q0 + q1 + q2 + q3 0 + q5 q0+q1+ q2+ q3+ q5 + q1+ q2+q3+ q5

负压道体

顶面 -q0 - q1 - q2 0 - q4 + q5 -q0- q1- q2- q4+ q5 - q1- q2- q4+ q5

侧面 -q0 0 0 0 0 - q5 -q0 - q5 - q5

底面 +q0 + q1 + q2 + q3 0 + q5 q0+q1+ q2+ q3+ q5 + q1+ q2+q3+ q5

注：1、荷载方向，由道体向外为“＋”，向内为“－”。

(3)道体面板设计荷载统计道体面板和加固肋的按以下设计，确定面板厚度、加固肋规格

道体面板和加固肋的计算条件

计算

项 目 强度条件 刚度条件 振动条件（常规设计）

道体面板跨度 Smax=55•δ•（［σ］t／∑q）1/2＋50(mm) Smax=84•δ•（E／∑q）1/3＋50(mm) Smax=116•δ1/2•E1/4＋50(mm)

加固肋选型(简支) Lmax=2828•（Z•［σ］t／∑q•S）1/2＋50(mm) Lmax=1243•（E•.I／∑q•.S）1/3＋50(mm) Lmax=498•(E•I/G)1/4 +50(mm)

加固肋选型(固支) Lmax=3464•（Z•［σ］t／∑q•S）1/2＋50(mm) Lmax=1566•（E•.I／∑q•.S）1/3＋50(mm) Lmax=542•(E•I/G)1/4 +50(mm)

(4)根据《煤粉管道规程》的要求，以上“方案一、方案二”加固肋的设计条件相同，加固肋规格、间距相同，设计结果无区别。

4. 主烟道土建规程复核

(1)主烟道轴向变形核算

烟道固定支座的设置，应保证烟道随温度变化引起的轴向变形，小于膨胀节允许变形的要求。本工程烟道固定支座最大间距为L=25m，烟道安装初始温度T=10℃，烟气最高温度Tmax=150℃，膨胀节轴向变形允许值85mm。

膨胀节两侧烟道膨胀轴向变形之和：

△u=αS•(Tmax-T) •L=1.2x10-5x(150-10)x25000=42mm<85mm

軸向变形满足要求。

(2)主烟道结构复核

本工程采用STAAD PRO V8i结构分析软件对“方案一、方案二”进行了结构分析。

STAAD PRO V8i结构分析软件计算结果

计算应力

（N/mm2） 横向变形

（mm） 允许变形

（mm） 结论

方案一 170 11.5 ±26 计算应力在规程允许范围内，横向变形满足允许变形要求

方案二 232 105 ±26 计算应力超出规程允许范围，横向变形不满足允许变形要求

注：1）计算应力——加固肋最大计算应力

2）水平位移——烟道顶部最大横向计算变形

3）允许变形——烟道膨胀节允许横向变形

风载等水平荷载对烟道整体影响明显，影响烟道的结构安全和使用。

(3)主烟道自振频率复核

根据STAAD PRO V8i结构分析软件对方案一计算结果，道体面板第一振型自振频率27.8Hz，加固肋第一振型自振频率46.0Hz，均≥20Hz（常规设计），满足要求。

5. 工艺规程与土建规程钢材力学性能的差异

Q235B钢材力学性能(150℃)

弹性摸量E（N/mm2） 结构强度（N/mm2）

《煤粉管道规程》 1.96x105 125

《钢结构设计规范》 2.06x105 183

注：(1)结构强度——对于《煤粉管道规程》，为钢材的许用应力；对于《钢结构设计规范》，为钢材的强度设计值。

(2)150℃钢材强度设计值约折减f ≈ 0.85x215=183 N/mm2

《煤粉管道规程》和《钢结构设计规范》中，弹性模量E基本一致。

《煤粉管道规程》和《钢结构设计规范》中，钢材Q235B许用应力与钢材强度设计值183 N/mm2差别较大，分析如下：

《煤粉管道规程》采用的是许用应力设计法，各项荷载均采用标准值。土建规程采用的是基于概率理论的极限状态设计方法，各项荷载均采用设计值，若参照结构规范，则钢材Q235B许用应力乘荷载分项系数，则125x1.35=168 N/mm2 ，小于183 N/mm2 ，二者差值约为9%，大致相当，《煤粉管道规程》略显保守。

6. 结论

单纯按《煤粉管道规程》主烟道设计，没有考虑风载等水平荷载对烟道整体的影响，存在安全隐患，需要按土建规程进行复核。

鉴于笔者水平有限，文中难免有考虑不道支处，本文旨在共享工程设计中的经验，为今后类似工程提供借鉴参考。

参考文献

1. 《烟囱设计规范》（GB 50051-2002）

2. 《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T 5121—2000）

3. 《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》（DL/T 5121— 2000）配套计算方法

4. 《钛制焊接容器》（JB/T4745-2002）

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。